關于臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的應用分析

劉勝祥

摘 要：臨界流文丘里噴嘴作為標準表的氣體流量標準裝置，以其結構簡單、性能穩定、準確度高、維護方便等特點，在氣體流量計的檢定及校準中得到了廣泛應用，成為量值傳遞主要方式，使得臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的應用成為了人們關注的重點。

關鍵詞：臨界流文丘里噴嘴；檢定；氣體流量計；量值傳遞

1 臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置按照氣源可以分為正壓法和負壓法兩種方式。其中，正壓法主要是采用天然氣或壓縮空氣為氣源，可以在不同壓力點下對流量進行測量，與負壓法相比，更接近于被檢表的工況。其缺點是噴嘴對上游滯止壓力的穩定性要求比較高，投入成本很高，且不易實現；而負壓法是采用真空裝置在臨界流文丘里噴嘴下游來抽取真空，而形成噴嘴所需的臨界流條件，流量穩定，且成本投入低，但受壓力和測量范圍所限。

2臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的工作原理

臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置主要由自動化控制系統、壓力變送器、溫度變送器、緩沖容器、文丘里噴嘴、真空泵等組成。根據氣體動力學原理，當氣體通過臨界流文丘里噴嘴上、下游的壓力比達到臨界狀態時，氣體達到最大速度。此時流過噴嘴的氣體的流量只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關，滯止容器需要測溫、測壓，代入公式計算可得到通過臨界流文丘里噴嘴的質量流量，通過測量被檢表處的溫度和壓力，可以計算出空氣密度，再加上濕度修正進而得到標準體積流量。

3臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的應用分析

3.1臨界流文丘里噴嘴理論計算及壓力變送器的檢測運用。

對于上述公式中每個參數都必須準確可靠才能保證整套標準裝置的準確度。對于公式里的一些固定值，不同地區不同環境流出函數C*和氣體常數R存在一定的差別，可根據實際工況而定；目前計算氣體工況體積流量的算法大致存在兩種方法，一種是用噴嘴的質量流量除以工況密度所得；另一種算法是用氣體的質量流量除以標況密度得到標況體積流量，再根據氣體狀態方程計算出氣體的工況體積流量，由于對于氣體的工況密度算法目前存在多種算法和修正，所以兩種算法存在一定的差距，這主要是由于不同的臨界流文丘噴嘴氣體流量標準裝置生產廠家所用的計算公式不同。

在噴嘴流量的計算過程中有溫度、壓力、濕度的參與計算，這是除噴嘴以外決定量值能否準確傳遞的關鍵因素。下面是兩臺不同生產廠家的壓力變送器的在同一標準壓力值下不同安裝方式的測量數據：

由上表可看出，取壓口垂直向下的和垂直向上安裝最少相差0.45kPa，這可能導致整套裝置的測量結果超過0.4%的影響。所以在對噴嘴標準裝置上的壓力變送器進行周期檢定或校準時取壓口必須和現場安裝一致，也可以選擇不拆下現場校準使用。

3.2密封性的檢測

在對靜態密封性進行檢測的過程中，要對標準裝置的密封性進行檢查，從而保證臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的工作正常。如果要對裝置密封性實時監測功能的檢測，最好采用雙閥密封的方法，也就是在噴嘴組的每個噴嘴下游安裝雙閥門，并且在雙密封法之間安裝壓力檢測裝置，并根據雙閥門之間的壓力變化，對閥門的密封情況進行實時檢測（見圖1），而利用這種檢測方法，不僅能夠起到“雙保險”的作用，還能夠有效減少因閥門泄漏而造成裝置密封不嚴的問題。同時，通過在兩個閥門中間設置測壓孔，能夠對噴嘴上下游差進行實時測量，并且將差壓變送器的輸出信號實時傳遞給計算機，從而根據計算機的顯示來實時監測閥門的密封情況。

對于一些早期或未裝有雙閥密封的臨界流文丘里音速噴嘴的標準裝置建議每周進行一次密封性檢測。可在滯止容器上安裝一個壓力表或壓力變送器可采用正壓法和負壓法進行密封性檢查，簡述而言就是從滯止容器中充氣或抽真空，過段時間讀取一次壓力值，看壓力值的變化判斷是否有漏氣現象。一旦發現泄漏問題，就要及時尋找泄漏部位，并采取有效措施進行及時解決。

3.3臨界流文丘里噴嘴標準裝置工作狀態的檢測（期間核查）

對于臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置的工作狀態的檢測，第一種方法是選擇一臺性能穩定的流量計進行試驗，通過不同噴嘴組合出相近的流量點，測出流量計的儀表系數或示值誤差，分析其不確定是否符合標準，以確定標準裝置工作狀態；另一種方法就是選擇量值傳遞法，同樣選擇一臺性能穩定的流量計在準確度更高的標準裝置上測量流量計的儀表系數或示值誤差，再用噴嘴裝置測量同一流量點的儀表系數或示值誤差，分析其不確定度是否符合標準，也可確定標準裝置的工作狀態。

對臨界流文丘里噴嘴標準裝置的應用，除了理論上的計算分析需要準確無誤，實際應用更為重要，尤其是壓力變送器的安裝方式和校準方式的一致性容易被忽視；還要保證標準裝置的密封性，一定要實時或定期檢查；最后要保證裝置的工作狀態是正常，要定期用不同的方法進行期間核查。以保證量值準確可靠的傳遞。

參考文獻：

[1]蘇一林.基于高壓臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置的渦輪流量計計量性能研究[D].河北大學，2017.